Principio di funzionamento della degasazione sottovuoto nei forni ad arco elettrico sottovuoto

A forno ad arco elettrico sottovuoto è un forno industriale che sfrutta i principi della fusione ad arco sottovuoto per raffinare i metalli. Operando all'interno di un ambiente sottovuoto, questo forno utilizza un arco corto ad alta corrente e bassa tensione per il suo processo di fusione.

Fondamenti della scarica ad arco sottovuoto

Il forno ad arco sottovuoto funziona secondo il principio della scarica ad arco di gas. In questa configurazione, la tensione tra gli elettrodi è notevolmente bassa, ma la corrente che attraversa il gas è sostanziale, con conseguente temperatura estremamente elevata all'interno della zona dell'arco, circa 5000K. Questa elevata densità di corrente deriva dall'emissione termoionica e dall'autoemissione di elettroni. In particolare, uno strato di ioni positivi si forma attorno all'elettrodo negativo, creando un forte campo elettrico che induce il catodo a emettere automaticamente elettroni. Questi elettroni collidono con le molecole di gas tra gli elettrodi, ionizzandole e generando ulteriori ioni positivi ed elettroni secondari. Sotto l'influenza del campo elettrico, queste particelle cariche collidono rispettivamente con il catodo e l'anodo, producendo calore intenso. La temperatura del catodo rimane inferiore a quella dell'anodo perché una parte dell'energia viene spesa nell'emissione di elettroni. Inoltre, la ricombinazione di alcuni ioni positivi ed elettroni contribuisce alle alte temperature osservate.

Parametri operativi della fusione ad arco sottovuoto

La fusione ad arco sottovuoto impiega tipicamente una tensione d'arco compresa tra 22 e 65 volt, con una corrispondente lunghezza d'arco di 20-50 millimetri (quest'ultima applicabile per lingotti più grandi). Questo funzionamento ad arco corto è caratteristico dei forni ad arco elettrico sottovuoto, garantendo processi di fusione efficienti e controllati.

Sviluppo storico e applicazioni industriali

Dall'esperimento di fusione del filo di platino di successo nel 1839, ci volle più di un secolo prima che i ricercatori iniziassero a esplorare la fusione dei metalli refrattari. Nel 1953, i forni ad arco elettrico sottovuoto furono introdotti nella produzione industriale. Nel 1956, gli Stati Uniti e diversi paesi europei utilizzavano ancora forni non consumabili per la fusione del titanio, mentre il 1955 segnò l'avvento dei forni consumabili per la produzione di acciaio. Intorno al 1960, il peso dei lingotti di acciaio prodotti dai forni consumabili superava le 30 tonnellate, segnalando un progresso significativo nel settore. Attualmente, i forni consumabili sottovuoto prodotti da Kangsai Company esemplificano questa traiettoria di sviluppo, con alimentatori principali, sistemi di vuoto e sistemi di controllo automatico condivisi tra due forni per migliorare l'efficienza della produzione e l'utilizzo delle apparecchiature.

Vantaggi del trattamento termico sottovuoto

Il trattamento termico di pezzi o materiali in un ambiente sottovuoto offre numerosi vantaggi. Prolunga la durata di utensili e stampi prevenendo l'ossidazione e la decarburazione, con conseguente finitura superficiale brillante, deformazione minima, risparmio energetico e operazioni prive di inquinamento. Inoltre, il trattamento termico sottovuoto può alterare le proprietà meccaniche e metallurgiche dei materiali, migliorando le loro prestazioni complessive.

Vantaggi dei forni di fusione sottovuoto

I forni di fusione sottovuoto sono impiegati principalmente per la fusione di metalli reattivi e insolubili, leghe dure, materiali magnetici e acciaio inossidabile. Funzionando in condizioni di bassa pressione (decompressione), questi forni offrono diversi vantaggi:

1. Rimozione dei gas: Gli ambienti sottovuoto facilitano la rimozione dei gas adsorbiti e promuovono un significativo ritiro durante le fasi successive della fusione.
2. Purificazione delle impurità: Il vuoto aiuta a eliminare le impurità come silicio, alluminio, magnesio, calcio e i loro ossidi, purificando il materiale.
3. Migliore bagnabilità: Il vuoto migliora la bagnabilità della fusione in fase liquida, favorendo il ritiro durante il processo di fusione e affinando la struttura della lega.
4. Ambiente inerte: Quando altri gas primari o inerti non sono adatti, o quando i materiali sono soggetti a decarburazione e carburazione, un forno di fusione sottovuoto offre una soluzione ideale.
5. Inquinamento ridotto: La fusione sottovuoto riduce al minimo la contaminazione del prodotto da componenti atmosferici dannosi come acqua, ossigeno e azoto. Ad esempio, raggiungere un punto di rugiada di -40°C nell'idrogeno elettrolitico è difficile, mentre la fusione sottovuoto a poche centinaia di Pa raggiunge equivalentemente questo livello di purezza.

In sintesi, i forni ad arco elettrico sottovuoto offrono un mezzo sofisticato ed efficiente per la fusione dei metalli, sfruttando i principi della scarica ad arco sottovuoto per ottenere proprietà superiori dei materiali e risultati di produzione.

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